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Una versión de este artículo fue publicada originalmente por La conversación ( CC BY-ND 4.0 )

Hace diez años, los científicos anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs que ayuda a explicar por qué las partículas elementales (los bloques de construcción más pequeños de la naturaleza) tienen masa.

Para los físicos de partículas, este fue el final de un viaje de décadas y enormemente difícil, y posiblemente el resultado más importante en la historia del campo. Pero este final también marcó el comienzo de una nueva era de la física experimental.

En la última década, las mediciones de las propiedades del bosón de Higgs han confirmado las predicciones del modelo estándar de la física de partículas (nuestra mejor teoría para las partículas). Pero también ha planteado preguntas sobre las limitaciones de este modelo, como por ejemplo si existe una teoría más fundamental de la naturaleza.

Físico Peter Higgs predijo el bosón de Higgs en una serie de artículos entre 1964 y 1966, como una consecuencia inevitable del mecanismo responsable de dar masa a las partículas elementales.

Esta teoría sugiere que las masas de las partículas son consecuencia de la interacción de las partículas elementales con un campo, denominado campo de Higgs. Y según el mismo modelo, dicho campo también debería dar lugar a una partícula de Higgs, lo que significa que si el bosón de Higgs no estuviera ahí, esto acabaría por falsear toda la teoría.

Pero pronto quedó claro que descubrir esta partícula sería un reto. Cuando tres físicos teóricos calcularon las propiedades de un bosón de Higgs, concluyeron con una disculpa .

“We apologise to experimentalists for having no idea what is the mass of the Higgs boson … and for not being sure of its couplings to other particles … For these reasons, we do not want to encourage big experimental searches for the Higgs boson.”

Peter Higgs con un casco en las instalaciones del CERN.

Peter Higgs. Imagen: Maximilien Brice/CERN

Hubo que esperar hasta 1989 para que el primer experimento con serias posibilidades de descubrir el bosón de Higgs iniciara su búsqueda. La idea era hacer chocar partículas con una energía tan alta que se pudiera crear una partícula de Higgs en un túnel de 27 km de largo en el CERN de Ginebra (Suiza), el mayor colisionador de electrones y positrones (un positrón es casi idéntico a un electrón pero tiene carga opuesta) jamás construido.

Funcionó durante 11 años, pero su energía máxima resultó ser sólo 5pc demasiado baja para producir el bosón de Higgs.

Mientras tanto, el colisionador estadounidense más ambicioso de la historia, el Tevatron había empezado a tomar datos en el Fermilab, cerca de Chicago. El Tevatron hizo colisionar protones (que, junto con los neutrones, forman el núcleo atómico) y antiprotones (casi idénticos a los protones pero con carga opuesta) con una energía cinco veces superior a la lograda en Ginebra, seguramente, suficiente para fabricar el bosón de Higgs.

Pero las colisiones protón-antiprotón producen muchos desechos, lo que hace mucho más difícil extraer la señal de los datos. En 2011, el Tevatron dejó de funcionar: el bosón de Higgs volvió a escaparse de la detección.

En 2010, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) comenzó a colisionar protones con siete veces más energía que el Tevatrón. Finalmente, el 4 de julio de 2012, dos experimentos independientes en el CERN habían recogido, cada uno, suficientes datos para declarar el descubrimiento del bosón de Higgs. Al año siguiente, Higgs y su colaborador François Englert ganó el Premio Nobel «por el descubrimiento teórico de un mecanismo que contribuye a nuestra comprensión del origen de la masa de las partículas subatómicas».

Esto casi lo deja en evidencia. Sin el bosón de Higgs, todo el marco teórico que describe la física de partículas en sus escalas más pequeñas se rompe. Las partículas elementales no tendrían masa, no habría átomos, ni seres humanos, ni sistemas solares, ni estructura en el universo.

Problemas en el horizonte

Sin embargo, el descubrimiento ha planteado nuevas cuestiones fundamentales. Los experimentos del CERN han seguido investigando el bosón de Higgs.

Sus propiedades no sólo determinan las masas de las partículas elementales, sino también su estabilidad. En la actualidad, los resultados indican que nuestro universo no está en un estado perfectamente estable . En cambio, al igual que el hielo en el punto de fusión, el universo podría sufrir una rápida «transición de fase». Pero en lugar de pasar de un sólido a un líquido, como la transición del hielo al agua, esto implicaría un cambio crucial de las masas – y de las leyes de la naturaleza en el universo.

El hecho de que el universo parezca, sin embargo, estable, sugiere que podría faltar algo en los cálculos, algo que aún no hemos descubierto.

Después de un tres años de pausa para su mantenimiento y actualización, las colisiones en el LHC están a punto de reanudarse a una energía sin precedentes, casi el doble de la utilizada para detectar el bosón de Higgs. Esto podría ayudar a encontrar las partículas perdidas que alejan a nuestro universo del aparente filo de la navaja entre ser estable y sufrir rápidamente una transición de fase.

El Gran Colisionador de Hadrones en las instalaciones del CERN, cerca de Ginebra (Suiza).

El túnel del LHC en el punto 1. Imagen: CERN

El experimento también podría ayudar a responder otras preguntas. ¿Podrían las propiedades únicas del bosón de Higgs convertirlo en un portal para descubrir la materia oscura, la sustancia invisible que constituye la mayor parte de la materia del universo? La materia oscura no está cargada. Y el bosón de Higgs tiene una forma única de interactuar con materia no cargada.

Las mismas propiedades únicas han hecho que los físicos se cuestionen si el bosón de Higgs podría no ser una partícula fundamental después de todo. ¿Podría haber unanew, unknown force más allá de las otras fuerzas de la naturaleza: la gravedad, el electromagnetismo y las fuerzas nucleares débil y fuerte? ¿Quizás una fuerza que une partículas hasta ahora desconocidas en un objeto compuesto que llamamos bosón de Higgs?

Estas teorías pueden ayudar a abordar la controvertida resultados de mediciones recientes que sugieren que algunas partículas no se comportan exactamente como sugiere el modelo estándar. Por ello, el estudio del bosón de Higgs es vital para averiguar si hay física por descubrir más allá del modelo estándar.

Al final, el LHC se encontrará con el mismo problema que el Tevatron. Las colisiones de protones son desordenadas y la energía de sus colisiones sólo llegará hasta cierto punto. Aunque disponemos de todo el arsenal de la física de partículas moderna -incluidos detectores sofisticados, métodos de detección avanzados y aprendizaje automático-, lo que el LHC puede conseguir tiene un límite.

Un futuro colisionador de alta energía, diseñado específicamente para producir bosones de Higgs, nos permitiría medir con precisión sus propiedades más importantes, incluida la forma en que el bosón de Higgs interactúa con otros bosones de Higgs. Esto, a su vez, determinaría cómo interactúa el bosón de Higgs con su propio campo.

Por lo tanto, el estudio de esta interacción podría ayudarnos a investigar el proceso subyacente que da masa a las partículas. Cualquier desacuerdo entre la predicción teórica y una futura medición sería una señal clarísima que tenemos que inventar una nueva física.

Estas mediciones tendrán un profundo impacto que va mucho más allá de la física del colisionador, guiando o limitando nuestra comprensión del origen de la materia oscura, el nacimiento de nuestro universo y, quizás, su destino final.

La conversación
Por Dr. Martin Bauer y Dr. Stephen Jones

El Dr. Martin Bauer es profesor asociado de física en Universidad de Durham El Dr. Stephen Jones es profesor adjunto de física en la universidad.

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